曲柄滑块的运动分析及其应用

曲柄连杆机构的结构分析及其应用

张再宇

摘要：机械机构是社会实践活动中不可缺少的重要组成部分，曲柄连杆机构更是机械机构中不可或缺重要的组成部分；由此对曲柄连杆机构进行了研究，用曲柄和连杆来实现转动和移动相互转换的平面连杆机构，也称曲柄滑块机构。曲柄连杆机构中与机架构成移动副的构件为滑块，通过转动副联接曲柄和滑块的构件为连杆，分别由曲柄连杆机构的结构特点、工作特点、设计难点，曲柄滑块机构的应用范围及其应用实例，以及曲柄连杆机构的最新动态，国内外研究现状进行了调查。

关键词：曲柄滑块；动力学运动分析；连杆

引言：

制造业是一个国家经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国家的经济实力、科技水平和国防实力。曲柄连杆机构是机械机构重要的组成部分。曲柄连杆机构由于可以实现旋转运动与直线运动之间的变换，并可以实现急回运动，所以在机械设备中得到广泛的应用，如冲压机械、惯性筛、自动送料机构、冲床、剪床和往复活塞式发动机等。随着机械工业化的发展，机械优化设计方法越来越受到设计者的重视，采用优化设计方法能有效地提高设计效率和设计的精度要求，而曲柄连杆又是现代机械设备常用的一种传动设备，本文对该机构进行了以下研究：

1. 曲柄连杆机构特点

1.1 曲柄连杆机构的工作特点与设计难点

曲柄连杆机构是内燃机中的主要受力部件，曲柄连杆机构的工作环境非常恶劣，曲柄连杆机构面临的是高温、高压、高速、和化学腐蚀。曲柄每转一周（二冲程内燃机）或者两周（四冲程内燃机）为一个变化周期。实际上，内燃机的工况是不断变化的，特别是作为车用动力时。因此，作用在曲柄连杆机构上的力是随着工况的不断变化而变化的。内燃机的工况一般由转速和功率来衡量。内燃机曲柄连杆机构的设计是为了解决工作过程中惯性力的平衡以及改进结构来减少活塞对汽缸壁的侧压力，并且降低内燃机内的振动，但内燃机工作环境的瞬变使得这些都非常困难。在工作过程中，活塞顶部受力变化十分复杂，上下运动时活塞对汽缸壁产生很大的侧压力，这样就降低了内燃机的工作效率，活塞环也容易磨损；连杆做复杂的平面运动并且质量较大，平面运动产生的惯性力也不能忽视，连杆长度的微小变化也对机构产生很大的影响；曲轴飞轮的模态对内燃机的布置方式和工作场合的约束因素较多，设计难点较大。传统的方法是对结构进行简化计算并与样机试验结合进行设计。这种方法得到的结构存在着很大的误差，且劳动强度大，开发周期长，浪费人力和物力。现在设计都是借助计算机辅助设计手段，降低劳动强度，缩短开发周期。但仍有一些难题无法解决，如机构连接处动摩擦和零件变形等，有待进一步完善。

1.2 曲柄连杆机构的分类

根据结构特点，曲柄连杆机构可以分为三类：

（1）对心曲柄连杆机构：机构在运动时滑块的运动轨通过曲柄的回转中心则称为对心曲柄滑块机构。如在内燃机机构中的应用等。

（2）偏置式曲柄连杆机构：机构在运动时，滑块的运动轨不通过曲柄的回转中心则称为偏置曲柄滑块机构。例如在自动送料机构中的使用等。

（3)偏心轮机构：在曲柄连杆机构（曲柄摇杆机构）中，若曲柄很短，可将转动副的尺

寸扩大到超过曲柄长度，则曲柄就演化成几何中心不与转动中心重合的圆盘，该圆盘称为偏心轮，含有偏心轮的机构称为偏心轮机构。偏心机构结构简单，偏心轴劲的强度和刚度大，广泛用于曲柄长度要求较短、冲击载荷较大的机械中，例如在工程机械中的颚式破碎机中的应用等。

1.3 曲柄连杆机构的运动学分析意义和目的

在曲柄连杆机构的运动过程中，活塞作往复直线运动，曲轴做圆周旋转运动，由于两岸本身的运动比较复杂，一般简化为分别集中于连杆小头和连杆大头的两个集中质量，认为他们分别作旋转运动和往复运动。这样就不需要对连杆的运动规律进行单独的研究。

活塞在作往复运动时，其速度和加速度都是变化的。它的速度和加速度的数值及变化规律就对曲柄连杆机构以及内燃机整个机体的工作具有很大的影响，因此研究分析曲柄连杆机构运动学和动力学的主要任务是分析研究活塞的运动规律。

1.4 曲柄连杆机构运动学和动力学具体分析

在往复活塞式内燃机中基本上采用三种曲柄连杆机构：中心曲柄连杆机构，偏心曲柄连杆机构和关节曲柄连杆机构。其中中心曲柄连杆机构应用最广泛。本次设计选择中心曲柄连杆机构。

1.4.1 曲柄连杆机构的运动学分析

曲柄连杆机构将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动，将活塞上的力转化为曲轴上的扭矩。曲柄连杆机构动力学分析师内燃机设计的基础，它是分析内燃机中曲柄连杆机构的各种受力情况，并从中找到影响内燃机性能的因素，其中包括输出扭矩、转矩等，从而改善内燃机的动力性能。动力学分析还是为内燃机的主要零部件的刚度、强度、磨损和各种载荷服务并提供重要参数。工作运转的内燃机的曲柄连杆机构中作用着气体对活塞的压力、往复或者旋转运动的自重和惯性力、外部负荷对内燃机的反作用力、运动副之间的摩擦等。在分析时一般都忽略摩擦，分析运动学时，其中有两个假设：1）曲轴作匀速运动；2）角速度ω为常数。

中心曲轴连杆机构的运动规律如图

λ=r/l,

其中r为曲柄半径，l为连杆长度（连杆大小头孔中心距离），λ为连杆比。活塞的位移表示为X，具体计算如下：

1.4.2 曲柄连杆机构的动力学分析

作用在曲柄连杆机构的力分为：缸内气压力、运动质量惯性力、摩擦阻力和作用在发动机曲轴上的负载阻力。实际上一般作受力分析都把摩擦力忽略不计，因为它的数值比较小，且变化规律很难掌握，而负载阻力与主动力出于平衡状态，无需计算。因此，主要研究内燃机的气压力和运动质量惯性力的变化规律对曲柄连杆机构构件的作用，尤其是对曲轴和轴承的作用。曲柄连杆机构的动力学分析是内燃机结构设计的基础，它是分析曲柄连杆机构中力的作用情况，并能从分析力的过程中找出影响内燃机曲轴的输出扭矩、曲轴旋转的均匀程度和不动力平和的根本原因，从而找到提高内燃机动力性能水平的措施。曲柄连杆机构动力学的分析还为内燃机主要零部件的刚度、强度、磨损、振动和轴承负荷等计算提供必要的数据。

曲柄连杆机构中的受力分析如图